Xilinx Zynq All Programmable SoC：Smarter Visi

您是否見識(shí)過奧迪非凡的自動(dòng)泊車功能?在沒有駕駛員的情況下，轎車能自動(dòng)找到車位并泊車入位;或者，您是否使用Kinect控制器玩過Xbox 360游戲，或是剛剛咬下一口您從本地水果店購(gòu)買的鮮香水果。如果是，那么您可以把自己看成是Smarter Vision系統(tǒng)時(shí)代到來的見證人。

從最尖端精密的電子系統(tǒng)到普普通通的蘋果，各種形式的產(chǎn)品都無不受到Smarter視頻技術(shù)的影響。雖然當(dāng)今Smarter Vision的運(yùn)用已足以讓人稱奇，但專家稱我們其實(shí)還什么都沒有看到。有人預(yù)測(cè)在10年時(shí)間里，從汽車到工廠自動(dòng)化、醫(yī)療、監(jiān)控、消費(fèi)類、航空航天和軍用產(chǎn)品等絕大多數(shù)電子系統(tǒng)都將包含功能更豐富、出眾的Smarter Vision技術(shù)，極大地豐富人們的生活，乃至挽救生命。

Smarter Vision系統(tǒng)將迅速得到普及，而且隨著它們?cè)谖磥韼啄陮⒆兊酶蛹舛藦?fù)雜，我們很可能會(huì)乘坐自動(dòng)駕駛汽車盡情穿梭在高速公路網(wǎng)上。諸如Intuitive Surgical公司令人驚嘆的機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)等醫(yī)療設(shè)備將進(jìn)一步得到發(fā)展，甚至能夠讓外科醫(yī)生遠(yuǎn)程執(zhí)行外科手術(shù)。電視和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)讓人仿佛置身其中，達(dá)到前所未有的互操作水平，同時(shí)影院、家庭和店鋪屏幕上的內(nèi)容也將迎合每個(gè)不同消費(fèi)者的興趣，乃至情緒。

賽靈思All Programmable Smarter Vision解決方案正在引領(lǐng)這場(chǎng)變革創(chuàng)新。ZynqTM-7000 All Programmable SoC是業(yè)界首款在單個(gè)器件上將ARM雙核CortexTM-A9 MPCORETM、可編程邏輯及主要外設(shè)完美結(jié)合在一起的器件。賽靈思以其作為基礎(chǔ)，已推出了配套基礎(chǔ)架構(gòu)(工具及SmartCORE IP組合)，其將在開發(fā)和加速這些出色的創(chuàng)新產(chǎn)品上市進(jìn)程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。該輔助基礎(chǔ)架構(gòu)包括VivadoTM HLS(高層次綜合)、最新IP Integrator工具、OpenCV(計(jì)算機(jī)視覺)庫(kù)、SmartCORETM IP和專用開發(fā)套件。

賽靈思企業(yè)戰(zhàn)略與市場(chǎng)營(yíng)銷高級(jí)副總裁Steve Glaser表示：“借助賽靈思All Programmable Smarter Vision解決方案，我們將幫助客戶率先推出新一代Smarter Vision系統(tǒng)。在過去10年中，客戶已充分利用我們的FPGA來為他們系統(tǒng)處理器中那些運(yùn)行速度不足的功能提速。對(duì)于Zynq-7000 All Programmable SoC而言，處理器和FPGA邏輯均位于同一芯片上，這意味著開發(fā)人員現(xiàn)已擁有一款適用于Smarter Vision應(yīng)用的理想的芯片平臺(tái)。我們現(xiàn)在又推出了一款由Vivado HLS、最新IP Integrator工具、OpenCV庫(kù)、SmartCORE IP和開發(fā)套件組成的穩(wěn)健可靠的開發(fā)環(huán)境，進(jìn)一步完善了Zynq-7000 All Programmable SoC。借助這些Smarter Vision技術(shù)，我們的客戶可以立即啟動(dòng)他們的新設(shè)計(jì)，以更快的速度推出效率和系統(tǒng)性能更高、系統(tǒng)功耗和材料清單成本更低的創(chuàng)新產(chǎn)品，從而在提升盈利能力的同時(shí)豐富人們的生活，乃至挽救生命。”

從啞巴攝像機(jī)到Smarter Vision

Smarter Vision系統(tǒng)的根源在于嵌入式視覺。若您對(duì)嵌入式視覺知之甚少，那么就讓我們看看下面對(duì)這種技術(shù)及其演進(jìn)發(fā)展的介紹。

根據(jù)快速發(fā)展的行業(yè)組織“嵌入式視覺聯(lián)盟”(www.embedded-vision.com/)的定義，嵌入式視覺融合了兩種技術(shù)：嵌入式系統(tǒng)(區(qū)別于使用處理器的計(jì)算機(jī)的任何電子系統(tǒng))和計(jì)算機(jī)視覺(有時(shí)也稱機(jī)器視覺)。

嵌入式視覺聯(lián)盟創(chuàng)始人兼咨詢公司BDTI首席執(zhí)行官Jeff Bier表示，嵌入式視覺技術(shù)已經(jīng)給數(shù)個(gè)行業(yè)造成顯著的影響，因?yàn)樵摷夹g(shù)的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了以往的通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平移/傾斜/縮放(motorized pan-tilt-zoom)功能的模擬攝像系統(tǒng)時(shí)代。Bier表示：“我們已在數(shù)字時(shí)代生活了一段時(shí)間，看到嵌入式視覺從擅長(zhǎng)壓縮、存儲(chǔ)或增強(qiáng)攝像頭拍攝內(nèi)容觀感的早期數(shù)字系統(tǒng)迅速發(fā)展成為如今能知曉拍攝內(nèi)容的Smarter嵌入式視覺系統(tǒng)。”此外，先進(jìn)的嵌入式視覺系統(tǒng)或Smarter視覺系統(tǒng)不僅能增強(qiáng)和分析圖像，而且還能根據(jù)那些分析結(jié)果觸發(fā)行動(dòng)。由此，處理量和計(jì)算能力以及算法的復(fù)雜性都顯著增大。監(jiān)控市場(chǎng)的快速發(fā)展就是這種顯著演進(jìn)的最好例證之一。

20年前，監(jiān)控系統(tǒng)廠商競(jìng)相提供由機(jī)械系統(tǒng)強(qiáng)化的最佳透鏡，能夠執(zhí)行可實(shí)現(xiàn)更清晰、更寬廣拍攝視野的平移/傾斜/縮放功能。這些系統(tǒng)基本上由模擬攝像機(jī)、連接用同軸電纜、模擬監(jiān)控器和安保人員監(jiān)控的視頻錄制裝置組成。這些系統(tǒng)的清晰度、可靠性和有效性由光學(xué)組件和透鏡的質(zhì)量以及監(jiān)控?cái)z像頭播放內(nèi)容的安保人員的盡職程度決定。

嵌入式視覺技術(shù)的問世使監(jiān)控設(shè)備公司能夠使用基于數(shù)字技術(shù)的較低成本攝像頭。此類數(shù)字處理能力可為其系統(tǒng)提供卓越的功能，在性能上超越模擬以及基于透鏡的保安系統(tǒng)，在價(jià)格上則更低廉。

魚眼透鏡和采用各種視覺專用算法的嵌入式處理系統(tǒng)大幅增強(qiáng)了攝像頭生成的畫質(zhì)。這些技術(shù)針對(duì)光照條件進(jìn)行了校正，能夠改善對(duì)焦，增強(qiáng)色澤和數(shù)字縮放觀測(cè)區(qū)域，另外無需使用機(jī)械電機(jī)控制來執(zhí)行平移/傾斜/縮放，從而能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性。企業(yè)使用數(shù)字信號(hào)處理可提供視頻分辨率達(dá)到以及超過1080p的監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)際上，就無人機(jī)(UAV)和軍用衛(wèi)星而言，嵌入式視覺已能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的超高分辨率。若以此分辨率捕獲圖像，就需要處理大量的像素，而增強(qiáng)和操控這些圖像則需要甚至更高的處理能力。

但通過數(shù)字信號(hào)處理操縱圖像，增強(qiáng)其清晰度只是開始。憑借先進(jìn)得多的像素處理功能，監(jiān)控系統(tǒng)制造商開始創(chuàng)建更尖端的嵌入式視覺系統(tǒng)，以便能在其數(shù)字系統(tǒng)所采集的高畫質(zhì)圖像上實(shí)時(shí)執(zhí)行分析功能。視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員每年都會(huì)推出一系列功能更為強(qiáng)大的高級(jí)算法，用于創(chuàng)建更為動(dòng)態(tài)的分析功能。這些嵌入式視覺系統(tǒng)的最早期類型只能檢測(cè)特定的色彩、形狀和移動(dòng)。這項(xiàng)功能迅速地發(fā)展為具有下列功能的算法：能夠檢測(cè)跨越攝像頭視野中虛擬柵欄的物體;判斷圖像中的對(duì)象是否是一個(gè)人;以及，鏈接至數(shù)據(jù)庫(kù)后甚至能識(shí)別特定的人。

最先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)所提供的分析功能能跟蹤受監(jiān)測(cè)的個(gè)人穿越安保網(wǎng)絡(luò)的視野范圍，即便在他們離開攝像頭的視野后進(jìn)入盲點(diǎn)，然后再進(jìn)入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的另一部攝像頭的視野后也能追蹤。視覺設(shè)計(jì)人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出某些此類系統(tǒng)，用于檢測(cè)異?；蚩梢傻囊苿?dòng)。賽靈思工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療(ISM)事業(yè)部系統(tǒng)架構(gòu)師Mark Timmons表示：“分析功能是當(dāng)今監(jiān)控市場(chǎng)最大的發(fā)展趨勢(shì)。它可以克服人為錯(cuò)誤，甚至取代細(xì)致的人工觀察和決策。可以想象，在火車站和運(yùn)動(dòng)賽場(chǎng)等擁擠的環(huán)境中，監(jiān)控的難度極大。所以如果有分析功能可以發(fā)現(xiàn)過度擁擠的危險(xiǎn)情況或表現(xiàn)出危險(xiǎn)行為或過激動(dòng)作的個(gè)人，就會(huì)帶來非常明顯的優(yōu)勢(shì)。”

為了進(jìn)一步增強(qiáng)這種分析功能并提升此類系統(tǒng)的有效性，監(jiān)控及眾多其它使用Smarter Vision技術(shù)的市場(chǎng)越來越多地采用“融合”架構(gòu)，將攝像頭和熱成像、雷達(dá)、聲納和LIDAR(光/激光探測(cè)和測(cè)距)等其它感測(cè)技術(shù)相結(jié)合。這樣Smarter視覺設(shè)計(jì)人員就可進(jìn)一步增強(qiáng)最終圖像，實(shí)現(xiàn)夜視、檢測(cè)熱溫/熱能影像或是拾取單憑攝像頭不能采集或無法看到的對(duì)象。這項(xiàng)功能能顯著地減少虛假檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的分析。毫無疑問，技術(shù)融合以及之后分析融合技術(shù)采集的數(shù)據(jù)會(huì)帶來更大的復(fù)雜性，要求更為強(qiáng)大的分析處理能力。

Timmons提到，這個(gè)市場(chǎng)上的另一大趨勢(shì)是執(zhí)行所有這些類型的復(fù)雜分析系統(tǒng)都位于監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“邊緣”，即位于每一部攝像頭中，而非由每一部攝像頭將自己的數(shù)據(jù)傳輸給中央大型機(jī)系統(tǒng)，然后再由大型機(jī)根據(jù)多路饋入的數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的分析。分析功能的本地化為整體安全系統(tǒng)增加了靈活性，使得系統(tǒng)中的每個(gè)點(diǎn)都能更加迅速準(zhǔn)確地執(zhí)行檢測(cè)，因而如果攝像頭能真正發(fā)現(xiàn)切實(shí)的威脅，就能更迅速地向操作人員發(fā)出告警。

分析功能本地化意味著每個(gè)單元不僅需要更強(qiáng)大的處理功能來強(qiáng)化和分析攝像頭采集的圖像，而且還必須足夠緊湊，能夠集成至高度集成的電子系統(tǒng)中。且由于每個(gè)單元都必須能夠可靠地與網(wǎng)絡(luò)的其余部分進(jìn)行通信，攝像頭還必須集成電子通信功能，進(jìn)一步增大計(jì)算復(fù)雜度。這些監(jiān)控單元逐漸通過無線網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成更大型監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分;而且這些監(jiān)控系統(tǒng)將不斷變成更大規(guī)模的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)乃至更大規(guī)模的全球網(wǎng)絡(luò)的組成部分，正如美國(guó)軍方的全球信息網(wǎng)格(參見Xcell期刊第69期的封面介紹：http://china.xilinx.com/china/archives/xcell/Xcell69.pdf)。

這類高度復(fù)雜性有望出現(xiàn)在監(jiān)控等領(lǐng)域中，也正應(yīng)用于軍事和防務(wù)市場(chǎng)的各個(gè)方面，從步兵的頭盔到與中央司令部聯(lián)網(wǎng)的軍用衛(wèi)星等，無所不包。可能更令人驚嘆的是，Smarter Vision技術(shù)正快速進(jìn)入其它領(lǐng)域，以提高生活質(zhì)量，確保生命安全。

Smarter Vision 成就完美蘋果

現(xiàn)在以蘋果為例。有沒有想過一個(gè)好蘋果是怎么進(jìn)入您的雜貨店的?賽靈思工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療業(yè)務(wù)部的架構(gòu)師Giulio Corradi說，今天食品公司正在把最新Smarter Vision系統(tǒng)用于食品檢驗(yàn)生產(chǎn)線，將壞蘋果從好蘋果中篩選出來。Corradi表示，高速食品檢驗(yàn)生產(chǎn)線上使用的第一代嵌入式視覺系統(tǒng)通常使用一個(gè)或者多個(gè)攝像頭來發(fā)現(xiàn)蘋果或者其它農(nóng)產(chǎn)品表面上的瑕疵。如果嵌入式視覺系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有非正常的色澤，該蘋果就會(huì)被打上標(biāo)記/篩選出來進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，或者扔掉。

但是如果在此之前的某個(gè)時(shí)候水果曾掉落過，但傷痕難以察覺會(huì)怎么樣呢?Corradi表示“在某些情況下，掉落造成的傷痕可能難以被攝像頭發(fā)現(xiàn)，只能用肉眼查看。傷痕可能實(shí)際上位于蘋果的果肉中。所以一些Smarter Vision系統(tǒng)在攝像頭上集成了紅外傳感器。這樣這種更加高級(jí)的Smarter Vision系統(tǒng)就可以檢測(cè)到蘋果表皮之下的傷痕，觸發(fā)機(jī)械分揀機(jī)將蘋果推出生產(chǎn)線，以免被包裝發(fā)往雜貨店。”如果沒有Smarter融合視覺系統(tǒng)的幫助，有傷痕的蘋果會(huì)通過檢測(cè)，而傷痕會(huì)在蘋果擺放到雜貨店貨架上時(shí)變得明顯，這樣就可能不得不把它扔掉。一個(gè)壞蘋果會(huì)糟蹋一堆蘋果。

此外，分析功能還可以幫助食品公司判斷有傷痕的蘋果狀態(tài)是否足夠良好，可以轉(zhuǎn)入新的生產(chǎn)線，由另一個(gè)Smarter Vision系統(tǒng)判斷它是否適用于其它用途，比如制作蘋果醬、果脯或者如果狀態(tài)太差，用于制作肥料。

Corradi表示，Smarter Vision技術(shù)正在被應(yīng)用于工廠車間，以幫助保護(hù)工人。越來越多的工廠今天都已完成自動(dòng)化，使用機(jī)器人輔助技術(shù)或者完全自動(dòng)化的機(jī)器人生產(chǎn)線。Corradi表示，最早的這些自動(dòng)化工廠中，每部機(jī)器人只執(zhí)行生產(chǎn)產(chǎn)品的一小部分任務(wù)，然后將其傳送給生產(chǎn)線上的另一部機(jī)器人。由于這些機(jī)器人完成的是一系列可預(yù)測(cè)的工作，它們的活動(dòng)范圍也可以預(yù)測(cè)。因此，為保護(hù)在這些機(jī)器人生產(chǎn)線附近操作、維護(hù)或者工作的工人，許多設(shè)施在機(jī)器人周圍建有保護(hù)籠。

然而在現(xiàn)代化工廠中，制造商正在越來越多地使用更加靈活的機(jī)器人生產(chǎn)線按需生產(chǎn)更多數(shù)量的產(chǎn)品，而且可以重新裝備這些機(jī)器人生產(chǎn)線，用于制造未來的產(chǎn)品。為此，工廠為機(jī)器人提供更大的泊位，因其移動(dòng)范圍可能會(huì)發(fā)生顯著的變化。對(duì)于需要制造不同產(chǎn)品系列的機(jī)器人來說，安全籠顯得限制過多(或者過小)，無法適應(yīng)機(jī)器人的移動(dòng)范圍。